Question

4．CH₃OH是一种无色有刺激性气味的液体，在生产生活中有重要用途，同时也是一种重要的化工原料．
（1）已知CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂（g）能量变化如图，下列说法正确的是CD
A．CH₃OH转变成H₂的过程是一个吸收能量的过程
B．H₂的生成速率与CH₃OH的消耗速率之比为1：2
C．化学变化不仅有新物质生成，同时也一定有能量变化
D．1mol H-O键断裂的同时2mol C=O键断裂，则反应达最大限度
（2）某温度下，将5molCH₃OH和2molO₂充入2L的密闭容器中，经过4min反应达到平衡，测得c（O₂）=0.2mol•L^-1，4min内平均反应速度v（H₂）=0.8mol•L^-1•min^-1，则CH₃OH的转化率为64%．
（3）CH₃OH燃料电池是目前开发最成功的燃料电池之一，这种燃料电池由甲醇、空气（氧气）、KOH（电解质溶液）构成．则下列说法正确的是CD．
A．电池放电时通入空气的电极为负极
B．电池放电时负极的电极反应式为CH₃OH-6e^-═CO₂↑+2H₂O
C．电池放电时，电解质溶液的碱性逐渐减弱
D．电池放电时每消耗6.4gCH₃OH转移1.2mol电子
①若电解质溶液改为酸溶液，请写出甲醇燃料电池的负极电极反应式CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺．
②与铅蓄电池相比，当消耗相同质量的负极活性物质时，甲醇燃料电池的理论放电量是铅蓄电池的19.4倍（保留一位小数）．
③肼（N₂H₄）-空气燃料电池也是一种很有发展前景、对环境很友好的碱性电池，该电池放电时，负极的反应式为N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑．

Answer 1

分析 （1）A、反应物的能量高于生成物的能量，反应是放热的，反之是吸热的；
B、化学反应速率之比等于系数之比；
C、化学变化伴随物质变化，同时也一定有能量变化；
D、当化学反应得到平衡状态时，反应达到了最大限度．
（2）根据化学反应速率v=$\frac{△c}{△t}$计算反应速率，根据三行式结合转化率等于变化量和初始量的比值计算转化率；
（3）根据电池总反应：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O知，负极甲醇失去电子发生氧化反应；正极上氧气得电子发生还原反应，根据电池反应式判断溶液的pH值变化；
①甲醇燃料电池的负极上是甲醇失电子的氧化反应，据电解质环境书写电极反应式；
②根据负极上的反应，消耗负极质量减少一样多时，转移得电子的物质的量即可；
③肼-氧气碱性燃料电池中，负极上燃料肼失电子和氢氧根离子反应生成水和氮气．

解答 解：（1）A、根据图示反应物的能量高于生成物的能量，反应是放热的，故A错误；
B、化学反应速率之比等于系数之比，H₂的生成速率与CH₃OH的消耗速率之比为2：1，故B错误；
C、化学变化伴随物质变化，同时也一定有能量变化，故C正确；
D、当化学反应得到平衡状态时，反应达到了最大限度，1mol H-O键断裂的同时2mol C=O键断裂，说明正逆反应速率相等，达到了平衡，故D正确．
故选CD．
（2）经过4min反应达到平衡，测得c（O₂）=0.2mol•L^-1，氧气的变化浓度1.0mol/L-0.2mol/L=0.8mol/L．    
           CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂（g）
初始浓度：2.5         1          0       0
变化浓度：1.6         0.8      1.6     3.2
末态浓度：0.9         0.2      1.6     3.2
4min内平均反应速度v（H₂）=$\frac{3.2mol/L}{4min}$=0.8mol/（L•min），CH₃OH的转化率$\frac{1.6}{2.5}$×100%=64%，故答案为：0.8mol•L^-1•min^-1；64%；
（3）A、正极氧气上得电子发生还原反应，则氧气参与反应的电极为正极，故A错误；
B、放电时，负极上甲醇失电子发生氧化反应，甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应式为CH₃OH+8OH^--6e-=CO₃^2-+6H₂O，故B错误；
C、电池总反应：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，反应消耗氢氧根离子，所以反应后溶液的pH减小，碱性减弱，故C正确；
D、甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，则电极反应式为CH₃OH+8OH^--6e-=CO₃^2-+6H₂O，所以电池放电时每消耗1 mol CH₃OH转移6 mol电子，每消耗6.4gCH₃OH转移1.2mol电子，故D正确；
故选CD；
①甲醇燃料电池的负极上是甲醇失电子的氧化反应，酸性电解质环境下电极反应式为：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺，故答案为：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺；  
②根据负极上的电极反应式：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺，消耗1g甲醇，转移电子的物质的量是$\frac{3}{16}$mol，铅蓄电池的负极上发生的反应为：Pb-2e^-+SO₄^2-=PbSO₄，
消耗1gPb，转移电子的物质的量是$\frac{2}{207}$mol，所以当消耗相同质量的负极活性物质时，甲醇燃料电池的理论放电量是铅蓄电池的比值是：$\frac{3}{16}：\frac{2}{207}$=19.4，故答案为：19.4；
③肼-氧气碱性燃料电池中，负极上燃料肼失电子和氢氧根离子反应生成水和氮气，电极反应式为N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑，故答案为：N₂H₄-4e^-+4OH^-═N₂↑+4H₂O．

点评 本题考查了化学反应速率、平衡的有关计算、原电池原理等知识，明确正负极上得失电子及反应类型是解本题关键，难点是电极反应式的书写．